文档简介：提高3D图形程序的性能是个很大的课题。图形程序的优化大致可以分成两大任务，一是要有好的场景管理程序，能快速剔除不可见多边形，并根据对象距相机远近选择合适的细节（LOD）；二是要有好的渲染程序，能快速渲染送入渲染管线的可见多边形。
我们知道，使用OpenGL或Direct3D渲染图形时，首先要设置渲染状态，渲染状态用于控制渲染器的渲染行为。应用程序可以通过改变渲染状态来控制OpenGL或Direct3D的渲染行为。比如设置Vertex/Fragment Program、绑定纹理、打开深度测试、设置雾效等。
改变渲染状态对于显卡而言是比较耗时的操作，而如果能合理管理渲染状态，避免多余的状态切换，将明显提升图形程序性能。这篇文章将讨论渲染状态的管理。
我们考虑一个典型的游戏场景，包含人、动物、植物、建筑、交通工具、武器等。稍微分析一下就会发现，实际上场景里很多对象的渲染状态是一样的，比如所有的人和动物的渲染状态一般都一样，所有的植物渲染状态也一样，同样建筑、交通工具、武器也是如此。我们可以把具有相同的渲染状态的对象归为一组，然后分组渲染，对每组对象只需要在渲染前设置一次渲染状态，并且还可以保存当前的渲染状态，设置渲染状态时只需改变和当前状态不一样的状态。这样可以大大减少多余的状态切换。下面的代码段演示了这种方法：
// 渲染状态组链表，由场景管理程序填充
RenderStateGroupList groupList;
// 当前渲染状态
RenderState curState;
……
// 遍历链表中的每个组
RenderStateGroup *group = groupList.GetFirst();
while ( group != NULL )
{
// 设置该组的渲染状态
RenderState *state = group->GetRenderState();
state->ApplyRenderState( curState );
// 该渲染状态组的对象链表
RenderableObjectList *objList = group->GetRenderableObjectList();
// 遍历对象链表的每个对象
RenderableObject *obj = objList->GetFirst();
while ( obj != NULL )
{
// 渲染对象
obj->Render();
obj = objList->GetNext();
}
group = groupList.GetNext();
}
其中RenderState类的ApplyRenderState方法形如：
void RenderState::ApplyRenderState( RenderState &curState )
{
// 深度测试
if ( depthTest != curState.depthTest )
{
SetDepthTest( depthTest );
curState.depthTest = depthTest;
}
// Alpha测试
if ( alphaTest != curState.alphaTest )
{
SetAlphaTest( alphaTest );
curState.alphaTest = alphaTest;
}
// 其它渲染状态
……
}
这些分组的渲染状态一般被称为Material或Shader。这里Material不同于OpenGL和Direct3D里面用于光照的材质，Shader也不同于OpenGL里面的Vertex/Fragment Program和Direct3D里面的Vertex/Pixel Shader。而是指封装了的显卡渲染图形需要的状态（也包括了OpenGL和Direct3D原来的Material和Shader）。
从字面上看，Material（材质）更侧重于对象表面外观属性的描述，而Shader（这个词实在不好用中文表示）则有用程序控制对象表面外观的含义。由于显卡可编程管线的引入，渲染状态中包含了Vertex/Fragment Program，这些小程序可以控制物体的渲染，所以我觉得将封装的渲染状态称为Shader更合适。这篇文章也将称之为Shader。
上面的代码段只是简单的演示了渲染状态管理的基本思路，实际上渲染状态的管理需要考虑很多问题。
消耗时间问题
改变渲染状态时，不同的状态消耗的时间并不一样，甚至在不同条件下改变渲染状态消耗的时间也不一样。比如绑定纹理是一个很耗时的操作，而当纹理已经在显卡的纹理缓存中时，速度就会非常快。而且随着硬件和软件的发展，一些很耗时的渲染状态的消耗时间可能会有减少。因此并没有一个准确的消耗时间的数据。
虽然消耗时间无法量化，情况不同消耗的时间也不一样，但一般来说下面这些状态切换是比较消耗时间的：
Vertex/Fragment Program模式和固定管线模式的切换（FF，Fixed Function Pipeline）
Vertex/Fragment Program本身程序的切换
改变Vertex/Fragment Program常量
纹理切换
顶点和索引缓存（Vertex & Index Buffers）切换有时需要根据消耗时间的多少来做折衷，下面将会遇到这种情况。
渲染状态分类
实际场景中，往往会出现这样的情况，一类对象其它渲染状态都一样，只是纹理和顶点、索引数据不同。比如场景中的人，只是身材、长相、服装等不同，也就是说只有纹理、顶点、索引数据不同，而其它如Vertex/Fragment Program、深度测试等渲染状态都一样。相反，一般不会存在纹理和顶点、索引数据相同，而其他渲染状态不同的情况。我们可以把纹理、顶点、索引数据不归入到Shader中，这样场景中所有的人都可以用一个Shader来渲染，然后在这个Shader下对纹理进行分组排序，相同纹理的人放在一起渲染。
多道渲染（Multipass Rendering）
有些比较复杂的图形效果，在低档显卡上需要渲染多次，每次渲染一种效果，然后用GL_BLEND合成为最终效果。这种方法叫多道渲染Multipass Rendering，渲染一次就是一个pass。比如做逐像素凹凸光照，需要计算环境光、漫射光凹凸效果、高光凹凸效果，在NV20显卡上只需要1个pass，而在NV10显卡上则需要3个pass。Shader应该支持多道渲染，即一个Shader应该分别包含每个pass的渲染状态。
不同的pass往往渲染状态和纹理都不同，而顶点、索引数据是一样的。这带来一个问题：是以对象为单位渲染，一次渲染一个对象的所有pass，然后渲染下一个对象；还是以pass为单位渲染，第一次渲染所有对象的第一个pass，第二次渲染所有对象的第二个pass。下面的程序段演示了这两种方式：
以对象为单位渲染
// 渲染状态组链表，由场景管理程序填充
ShaderGroupList groupList;
……
// 遍历链表中的每个组
ShaderGroup *group = groupList.GetFirst();
while ( group != NULL )
{
Shader *shader = group->GetShader();
RenderableObjectList *objList = group->GetRenderableObjectList();
// 遍历相同Shader的每个对象
RenderableObject *obj = objList->GetFirst();
while ( obj != NULL )
{
// 获取shader的pass数
int iNumPasses = shader->GetPassNum();
for ( int i = 0; i < iNumPasses; i++ )
{
// 设置shader第i个pass的渲染状态
shader->ApplyPass( i );
// 渲染对象
obj->Render();
}
obj = objList->GetNext();
}
group = groupList->GetNext();
}
以pass为单位渲染
// 渲染状态组链表，由场景管理程序填充
ShaderGroupList groupList;
……
for ( int i = 0; i < MAX_PASSES_NUM; i++ )
{
// 遍历链表中的每个组
ShaderGroup *group = groupList.GetFirst();
while ( group != NULL )
{
Shader *shader = group->GetShader();
int iNumPasses = shader->GetPassNum();
// 如果shader的pass数小于循环次数，跳过此shader
if( i >= iNumPasses )
{
group = groupList->GetNext();
continue;
}
// 设置shader第i个pass的渲染状态
shader->ApplyPass( i );
RenderableObjectList *objList =
group->GetRenderableObjectList();
// 遍历相同Shader的每个对象
RenderableObject *obj = objList->GetFirst();
while ( obj != NULL )
{
obj->Render();
obj = objList->GetNext();
}
group = groupList->GetNext();
}
}
这两种方式各有什么优缺点呢？
以对象为单位渲染，渲染一个对象的第一个pass后，马上紧接着渲染这个对象的第二个pass，而每个pass的顶点和索引数据是相同的，因此第一个pass将顶点和索引数据送入显卡后，显卡Cache中已经有了这个对象顶点和索引数据，后续pass不必重新将顶点和索引数据拷到显卡，因此速度会非常快。而问题是每个pass的渲染状态都不同，这使得实际上每次渲染都要设置新的渲染状态，会产生大量的多余渲染状态切换。
以pass为单位渲染则正好相反，以Shader分组，相同Shader的对象一起渲染，可以只在这组开始时设置一次渲染状态，相比以对象为单位，大大减少了渲染状态切换。可是每次渲染的对象不同，因此每次都要将对象的顶点和索引数据拷贝到显卡，会消耗不少时间。
可见想减少渲染状态切换就要频繁拷贝顶点索引数据，而想减少拷贝顶点索引数据又不得不增加渲染状态切换。鱼与熊掌不可兼得 :-(
由于硬件条件和场景数据的情况比较复杂，具体哪种方法效率较高并没有定式，两种方法都有人使用，具体选用那种方法需要在实际环境测试后才能知道。
多光源问题
待续……
阴影问题
待续……
渲染脚本
现在很多图形程序都会自己定义一种脚本文件来描述Shader。
比如较早的OGRE（Object-oriented Graphics Rendering Engine，面向对象图形渲染引擎）的Material脚本，Quake3的Shader脚本，以及刚问世不久的Direct3D的Effect File，nVIDIA的CgFX脚本（文件格式与Direct3D Effect File兼容），ATI RenderMonkey使用的xml格式的脚本。OGRE Material和Quake3 Shader这两种脚本比较有历史了，不支持可编程渲染管线。而后面三种比较新的脚本都支持可编程渲染管线。
脚本 特性 范例
OGRE Material 封装各种渲染状态，不支持可编程渲染管线 >>>>
Quake3 Shader 封装渲染状态，支持一些特效，不支持可编程渲染管线 >>>>
Direct3D Effect File 封装渲染状态，支持multipass，支持可编程渲染管线 >>>>
nVIDIA CgFX脚本 封装渲染状态，支持multipass，支持可编程渲染管线 >>>>
ATI RenderMonkey脚本 封装渲染状态，支持multipass，支持可编程渲染管线 >>>>
使用脚本来控制渲染有很多好处：
可以非常方便的修改一个物体的外观而不需重新编写或编译程序
可以用外围工具以所见即所得的方式来创建、修改脚本文件（类似ATI RenderMonkey的工作方式），便于美工、关卡设计人员设定对象外观，建立外围工具与图形引擎的联系可以在渲染时将相同外观属性及渲染状态的对象（也就是Shader相同的对象）归为一组，然后分组渲染，对每组对象只需要在渲染前设置一次渲染状态，大大减少了多余的状态切换。